JP4302885B2 - Laser transmission system and method with diffractive optical beam integration - Google Patents

Laser transmission system and method with diffractive optical beam integration Download PDF

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Abstract

A laser delivery system and method incorporate a diffractive optic beam integrator. The diffractive optic apparatus for modifying the spatial intensity distribution of an excimer laser beam (10) to generate a spatially integrated beam comprises a diffractive optic diffuser (12) and a converging lens (22). The diffractive optic diffuser (12) includes a diffractive grating pattern etched in a transparent medium for transforming the intensity profile of the excimer laser beam into a generally circular, substantially uniform spatial intensity distribution at a spatial integration plane. A variable aperture positioned about the spatial integration plane selectively passes the spatially integrated beam to an imaging lens. The imaging lens forms an image of the passed beam about a surface of a tissue to be ablated. A scanning element under computer control scans the imaged beam about the surface.

Description

【0001】
(発明の分野)
本発明は概して、ビームの空間的強度分布を変更するための光ビームシステムに関し、より詳細には、エキシマレーザービームの空間的および/または時間的強度分布を変更し、それにより組織の切除に対して実質的に均一な強度のビームを生成する、光ビームシステムに関する。
【0002】
(発明の背景)
エキシマレーザーは、例えば角膜切除および他の外科的処置のような組織切除を含む、様々な用途に使用されてきた。典型的なエキシマレーザービームの強度プロファイルの断面は、典型的に空間的均一性がない。一般に、ビームは、ほぼ矩形の断面を有する。その矩形のビーム長軸に沿う強度は、ビームの中心部分に渡って実質的に一定である。ビームの短軸に沿う強度は、実質的にガウス分布である。従って、エキシマレーザービームの発散は、2つの軸に沿って異なる。その結果、ビームは、放射されたときの形状を変化させ、エキシマレーザーから離れて進行する。
【0003】
実質的に均一な強度の、レーザービームを生成することは、組織切除のような多くの外科的処置において、特に屈折率補正または治療目的のための角膜切除において、重要である。さらに、レーザービームは、切除処置中に切除アルゴリズムによって必要とされる形状を維持するべきである。
【0004】
様々な方法が、レーザービームの空間的照射あるいは強度分布を修正するために、使用されてきた。切除を行う平面で、ビームの断面に渡ってより均一な強度のビームを生成するために、研究者らは、ビームの均一性を増し、ビームの発散を減少させるためにレーザー発射容量および共振器オプティクスを変更した。マスクの開口は、ビームの残りの部分を切り捨てることによって、ビームのほぼ均一な部分を選択する。開口は、角膜面のような切除面で結像される。あるいは、ビーム発散が十分弱い場合、開口によって選択されたビームは、角膜面に対して直接投射され得る。
【0005】
ビーム強度を改善する別の方法は、ビームを一連のビームレット(beamlet)に分解するために複雑な光学システム(例えば、ミラー、プリズム、またはレンズのセット)を用いる。ビームレットは、マスクの開口によって均一な強度を生成する様式で、重ね合わされる。その開口は角膜面上に結像される。
【0006】
さらに別の方法は、幾何学的な螺旋形状を有する1つ以上の開口で形成される回転可能なマスクを用い、それによりビームの空間的強度分布を変更する。それは、Klopotekに対して発行された、米国特許第5,651,784号に、「ROTATABLE APERTURE APPARATUS AND METHOD FOR SELECTIVE PHOTOABLATION OF SURFACE」と題して開示される。回転ダブプリズムまたはk−ミラーのような時間的ビーム積分器は、レーザービームを修正するために使用され、ある時間間隔におけるいくつかのレーザーパルスの平均的な不均一性を改善する。
【0007】
Glocklerによる、「METHOD AND APPARATUS FOR TEMPORAL AND SPATIAL BEAM INTEGRATION」と題する、米国特許第5,646,791号は、本明細書中全体にわたって参考として援用され、空間的ビーム積分器を用いて、レーザビーム強度のプロファイルの空間的均一性を改善し、さらに別個の回転時間的ビーム積分器を用いて、レーザーパルス時間間隔のレーザービーム強度の均一性を維持する。空間的ビーム積分器は、ホロー中心の周りに分布した複数のプリズムを含む。各プリズムの射出面は、空間的ビーム積分器の本体軸に関して、正確に角度をなしており、それにより中心方向へビームを反射する。空間的ビーム積分器は、空間的ビーム積分器に関して、定常のビームを生成するように定常状態であり得るか、あるいは回転ビームを生成するように回転され得る。時間的ビーム積分器は、両方のレンズの焦点距離の合計とほぼ等しい距離だけ、ビーム軸に沿って間隔を空けられた、一対の回転円柱状レンズを含む。
【0008】
「BEAM−HOMOGENIZER」と題する、Feldmanの米国特許第5,610,733号、および「HOLOGRAPHIC METHOD FOR PRODUCING DESIRED WAVEFRONT TRANSFORMATION」と題する、Caseの米国特許第4,547,037号は、本明細書全体にわたって参考として援用され、レーザービームのエネルギー分布を変化させるために回折性のオプティクスを用いている。回折光学素子は、第1平面のレーザービーム路に配置される。第1平面で、複数の格子パターンを適切に構成することにより、望ましい出力エネルギーが第2平面で生成される。
【0009】
(発明の要旨)
組織を切除する従来の方法は、複雑で高価な装置を使用して、レーザービームの均一性を改善する。パルスレーザーから放出された不均一な強度のビームを、ビームの断面の大部分にわたって実質的に均一な強度のレーザービームへ変換することができる、単純かつ安価な装置が求められる。さらに、本発明の実施形態は、レーザーパルス間でビーム変換装置を移動するための手段を提供することにより、レーザービームの時間的積分を提供する。
【0010】
本発明の一局面に従って、組織切除のためのエキシマレーザーシステムは、フッ化アルゴンエキシマレーザーを備え、パルス化されたレーザーエネルギーの不均一なビームを光路に沿って生成する。その不均一なビームは、不均一な空間的強度分布を有する。回折性の光学的ディフューザーは、レーザーから間隔が空いており、ビームの光路に沿って配置された透明なエッチングされたパターンを含み、それにより不均一なビームを、実質的に均一な空間的強度分布を有する空間的積分ビーム(spatial integrated beam)に変換する。正のレンズは、回折性の光学的ディフューザーの周りに配置され、空間的積分ビームの焦点を、空間的積分平面(spatial integration plane)で望ましい空間的強度分布に合わせる。
【0011】
本発明は、回折格子の技術を用いて、エキシマレーザービームの空間的強度分布を変更する。従来の回折格子は、開口あるいは障壁を備え、回折要素の繰り返し配列を含む。その回折要素は、位相、振幅、あるいはレーザービームのような突発的な波の両方において周期的な交互変化を生成する効果を有する。一つの単純な配列は、互いに一様な間隔を置かれた一連のスリットを備える障壁である。より一般的な回折格子装置は、透明なガラスプレートであり、整然としたあるいは無作為的な平行な切り目が、平らなガラスプレートの表面に引っ掻かれあるいは引かれている。切り目はそれぞれ散乱光源として働き、組み合わさって平行ライン光源の規則的な配列を形成する。格子が、無視できる振幅変調に関して全体として透明である場合、格子を横切る光学的厚さの規則的変化は、位相の変調を生じる。この場合、回折格子装置は伝達位相格子として働く。本発明において、透明な媒体にエッチングされた回折格子パターンは、エキシマレーザービームをほぼ均一な空間的強度分布を有する出力ビームに変換する。
【0012】
本発明の別の局面は、ビーム軸に沿って投射されパルス化されたレーザーエネルギーの不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームを空間的に積分するための装置であり、組織切除のための光学的切除の実施が可能である。装置は、ビーム軸に対して整列された不均一なエキシマビームの光路に配置された手段を備え、不均一なエキシマビームを回折的に発散させ、空間的に積分されたビームを発生する。空間的に積分されたビームは、ビームの断面全体にわたって、実質的に均一な強度分布を有する。収束レンズは、発散手段の周りに位置し、ビーム軸に対して整列された発散手段から出るレーザービームの光路に配置される。収束レンズは、空間的に積分されたビームの焦点を、空間的積分平面で望ましい大きさおよび空間的強度分布に合わせる。
【0013】
本発明の別の局面は、組織を切除するために光学的切除の実施が可能な不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な空間的強度分布を空間的に積分する方法である。この方法は、不均一なビームを回折的に発散し、実質的に均一な空間的強度分布を有する発散ビームを得る工程を含む。分散されたビームは、空間的積分平面上で収束する。収束されたビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面に対して結像する。
【0014】
本発明の更なる局面は、組織を切除するために光学的切除の実施が可能な、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な空間的強度分布を空間的に積分する方法である。この方法は、不均一なビームを回折的に発散し、それにより実質的に均一な空間的強度分布を有する発散されたビームを得る工程を含む。発散されたビームは、空間的積分平面上で収束される。空間的積分平面の周りに配置された可変開口は、選択的にビームを通過させる。通過したビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面に対して結像する。
【0015】
本発明のさらなる局面は、組織を切除するために光学的切除の実施が可能な、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な空間的強度分布を、空間的および時間的に積分する方法である。この方法は、不均一なビームを回折的に発散し、それによりほぼ均一な空間的強度分布を有する発散ビームを得る工程を含む。発散されたビームは、空間的積分平面上で収束される。空間的積分平面の周りに配置された可変開口は、選択的にビームを通過させる。通過したビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面まで結像される。レーザーパルスの間で、移動工程は、回折要素を移動させ、後のレーザーパルスの時間的積分を提供する。
【0016】
本発明の別の局面に従って、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームを使用する、手術面での組織切除の方法は、不均一ビームを回折し、それにより、実質的に最上層の空間的強度分布を均一部分とともに有する空間的に積分されたビームを得る工程を含む。空間的に積分されたビームは、空間的に積分されたビームの光路に配置された、空間的に積分された平面上に焦点が合わせられる。空間的に積分されたビームの均一部分の大きさおよび形状は、空間的積分平面の周りに位置する開口によって調節される。空間的に積分されたビームの、調節された均一部分は、手術面の周りの平面上で結像する。
【0017】
本発明のさらなる別の局面は、組織を切除するための光学的切除の実施が可能な、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な強度分布を空間的に積分する方法である。その方法は、不均一なビームを回折的に発散させ、それにより、実質的に上部が丸い空間的強度分布を有する発散されたビームを得る工程を含む。発散されたビームは、空間的積分平面上に収束される。その収束されたビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面に対して結像する。
【0018】
(好ましい実施態様の説明)
図1および2を参照すると、ほぼ矩形のエキシマレーザービーム10がビーム軸11に沿って回折要素12の方へ投射される。ビーム10の長軸(x−軸)に沿った強度は、ほぼ均一である。一方、短軸(y−軸)に沿った強度は、実質的にガウス分布である。回折要素12は、ほぼ平面の本体16を有し、これはレーザービーム10を受容し、そして回折的に変換する透明部分18を備える。回折要素12から出る回折したビーム20は、ビーム軸11沿いに正または収束レンズ22(これは回折したビーム20を収束する)を通って進行する。収束したビーム30は光軸11沿いに進行し、そして空間的積分面32でパターンを形成する。
【0019】
(回折光学的装置)
図1を参照すると、透明部分18は、全体の矩形ビーム10を受容するような大きさにされたほぼ矩形の形状を有する。しかし、矩形ではないビームに関しては、透明部分18は円形、四角形またはビーム10に適合する他の適切な形状であることが望ましくあり得る。回折要素12の透明部分18は、透明媒体にエッチングされた回折パターンを有する。この透明媒体はガラス様シリカ物質であり得る。この透明媒体は、エキシマレーザービーム10に対して実質的に非吸収性および非反射性であることが望ましい。例えば、透明媒体には石英ガラス、水晶、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウムまたはサファイアが挙げられ得る。
【0020】
透明媒体上の回折パターンは回折格子を形成し、これは不均一のエキシマレーザービーム10を空間的な強度分布(これはビームの断面に渡って実質的に均一である)を有する空間的に積分したエキシマビーム20に変換するように構成される。収束したビーム30の断面形状は、円形または矩形であり得る。眼科手術(例えば、角膜切除)に関して、空間的な強度分布は有利には、円形の中心領域を有するシルクハット(top−hat)形状を有し、これは実質的に均一であり、そして収束したビーム30の断面の大部分をカバーする(図1の空間的積分面32において示された空間的な強度分布を参照のこと)。他の空間的な強度分布は、異なる回折格子使用することで可能である。
【0021】
回折パターンの構成は、所望の収束したビーム30の形状および空間的な強度分布に大きく依存する。そしてまた、入射ビーム10の特性(例えば、その波長および空間的な強度分布)にも依存する。回折パターンは、複数の適切に間隔を空けてエッチングされた領域(例えば、線、スポットなど)を含み得る。約193ナノメートル(nm)付近に短波長を有するエキシマレーザーに関して、回折パターン中のエッチングされた領域の間隔は有利には、小さくかつ正確である。公知のエッチング技術(例えば、ドライエッチング)が、透明部分18上で回折パターンをエッチングするために使用され得る。
【0022】
図1および図2に示したように、収束レンズ22は、収束したビーム30として回折したビーム20を空間的積分面32へ収束または集光する。空間積分面32での収束したビーム30の断面は実質的に円形であり、そしてシルクハットプロファイルを有する空間的な強度分布を有する。強度分布の均一な中心領域36は、ビーム30の断面の少なくとも約70%をカバーするのが望ましく、より望ましくは、ほぼ85%をカバーする。空間的積分面32でのビーム30の断面のサイズは有利には、単一のレーザーパルスで除去された最大領域に相当する様な大きさにされる。例えば、空間的積分面32でのビーム30の断面に渡る寸法は、典型的には3〜12mmの範囲であり得る。図1および図2は、平坦な凸レンズを示すが、他のタイプの収束レンズ22が、収差を最小化する焦点距離に基づいて選択され得る。抗−反射性コーティングが、収束レンズ22からのビーム20の反射を防止または最小化するために適用され得る。
【0023】
操作時に、レーザービーム10は、ビーム軸11に沿いに回折要素12の透明部分18(これはレーザービーム10と整列される)を通って、全体のレーザービーム10を受容するように指向される。透明部分18のエッチングされた回折パターンは、レーザービーム10の空間的な強度分布を変更するための回折制御角度ディフューザーとして役立つ。透明部分18は、ほぼ矩形のガウスのビーム10を、実質的に均一な強度分布を有するほぼ円形のビーム20へ変換する。収束レンズ22はビーム軸11と整列し、そして空間的に積分したビーム20を所望の大きさに収束する。空間的積分面32での収束したビーム30の断面は、実質的に円形であり、そして空間的な強度の点で均一であり、これは手術手順(例えば、角膜切除)に望ましい。
【0024】
回折要素12および収束レンズ22は矩形ビーム10を空間的に積分し、空間的積分面で実質的に均一な強度プロファイルを有するビーム30を形成する。ビーム30の断面は円形または矩形であっても良く、あるいは他の形状であっても良い。角膜切除に関して、ビーム30は、均一強度中心領域36を有するのが望ましく、これはビーム30の断面の領域の少なくとも約85%をカバーする。均一強度中心領域36は、矩形ビーム10の総エネルギーの顕著な部分を含む。なぜなら、回折光学的装置を通る顕著なエネルギーの損失は無いからである。これは装置に高い効率を与える。
【0025】
193nmのエキシマレーザーを使用する良好な結果とともに、実施態様が実験的に試験された。250mmの焦点距離の収束レンズ22から約15mmのところに配置された二値(binary)回折性のオプティクス12が、空間的積分面32で約12mmの均一な円形ビームを生成する。使用される二値オプティクスは、Digital Optics Corporation of Charlotte(North Carolina)によって設計された。回折性のオプティクス設計の業界の他の会社は、同様の格子を製造することが可能である。空間的積分面で空間的に積分したビームの大きさは、レンズ22の焦点距離を変えることで変更され得る。
【0026】
レンズ22の使用を必要としない回折要素12の代替の実施態様が用いられ得る。例えば、回折レンズは、回折要素12の回折格子上に重ね合わせられ得る。このような回折要素は、空間的積分面32で、空間的に積分した変換したビームを生成する。あるいは、収束レンズ22は図8に示すように、回折要素12の1つの表面上で研削され得る。例示の実施態様において、回折要素12はパルス間で回転されて、ビームの時間的積分を提供し得る。
【0027】
(眼科レーザー手術における適用)
図3は、眼科レーザー手術光学システム100に対する本発明の適用、およびシステム100における構成要素の相対的な指向を示す。以下に記載される特定の構成要素および構成は、単に例示の目的に過ぎない。上記のように、回折性のオプティクス装置は、種々の異なるエキシマレーザーシステムとともに使用され得る。
【0028】
図3に見られるように、ビーム102は適切なレーザー源104(例えば、約193nmの波長を有する遠紫外線領域におけるレーザービームを発生するためのフッ化アルゴン(ArF)エキシマレーザービーム源)から発生する。この波長は典型的には、約192.5〜約194nmの範囲である。レーザービーム102は、ビームスプリッター106へ指向される。ビーム102の一部が、エネルギー検出器108上へと反射される。一方、残りの部分は、ビームスプリッター106を通って進行し、鏡110によって回転式時間的ビーム積分器(rotating temporal beam integrator)112上へ反射される。別のタイプの時間的ビーム積分器が使用され得る。時間的積分器112から出る回転したビームは、回折性のオプティクス装置へと指向される。好ましい実施態様において、回折要素12はビーム102とともに回転される。例示の実施態様において、回折要素12はビーム102と実質的に同じ速度で回転される。ビームは回折要素12および収束レンズ22を通過し、そして収束したビーム30として出射する。収束したビーム30は空間的積分面32へと進行し、ここには種々の開口116が配置される。空間的積分面32は、正レンズ22の焦点付近に配置される。種々の開口116から、開口ビーム120が出射する。種々の開口116は、種々の直径のアイリスであることが望ましく、これは種々の幅のスリット(示されず)と組み合わせられ、このスリットは特定の眼科手術手順(例えば、光学的角膜屈折矯正手術(PRK)および光学的角膜治療手術(PTK))に対してビーム30の大きさおよびプロファイルを合わせるために使用される。
【0029】
開口ビーム120は、結像レンズ122上へと指向され、これは、約125mmの焦点距離を有する両凸単一レンズであり得る。結像レンズ122から出る結像したビーム126は、鏡/ビームスプリッター130によって、手術面132上へと反射される。患者の角膜の頂部は、典型的には手術面132に位置付けられる。結像レンズ122は、手術面132の周辺で結像したビームを走査するために、結像したビームをオフセットするビームへ横方向に移動され得る。処置エネルギー検出器136は、鏡/ビームスプリッター130においてビームエネルギーの透過した部分を感知する。ビームスプリッター138および顕微鏡対物レンズ140は、観測オプティクスの一部を形成する。所望であれば、ビームスプリッターは、顕微鏡対物レンズから出るビーム134の光路中に組み込まれ得る。ビームスプリッターは必要に応じてビデオカメラに連結され、手術手順の観察または記録を補助する。同様に、ヘッド−アップ(heads−up)ディスプレイがまた、顕微鏡対物レンズ140の光路中に組み込まれ得、さらなる観察性能を提供する。レーザー光学システム100の他の付属の構成要素(これは、本発明の理解には必ずしも必要ではなく、例えば、非点収差モータおよび非点収差角モータによって駆動される移動可能な機械的構成要素である)は、簡潔のために省略される。
【0030】
回折要素12および正レンズ22を備える回折光学的装置は、種々のレーザーシステムのために使用され得、これには走査型レーザー切除システムおよび広域レーザー切除システムが挙げられる。例として、「VISX STAR Excimer Laser System」があり、これは、Santa Clara(California)のVISX,Incorporatedから市販されている。このシステムは、193.0nmの出力を発生し、6.0Hzの周波数で作動し、直径6.0mmの切除領域で160.0ミリジュール/cm2の均一な流量を伝送するように調節される。他のレーザーシステムには、T−PRKR走査型および追跡型レーザー(Autonomous Technologies Corporation製)、SVS Apexレーザー(Summit Technologies Inc.製)、Keracor”117走査型レーザーシステム(Chiron Vision製)などが挙げられる。
【0031】
代替の実施態様において、収束ビーム30は、図7に示されるように、空間的積分面32で先の丸い空間的強度分布37を有する中央領域を生成し得る。この先端が丸い分布37は、収束レンズ22、回析要素12、および空間的積分面32の間の分離を変化させることによって、作製され得る。あるいは、回析要素12での異なる回析パターンが使用され得る。
【0032】
空間的積分ビーム30は、望ましくは、例外的に、ビーム30のレーザーパルス時間間隔の間、ビーム30の断面積のほぼ85%に渡って均一であり得る。このような空間的積分ビーム30に関して、時間的ビーム積分器112は、ビーム30の特徴およびレーザーシステム100の操作における逆効果なしに、排除され得る。その場合において、回析要素12および正のレンズ22を備える回析光学的装置は、空間的ビーム積分器として役立ち、そして時間的ビーム積分器を必要としない。図4は、図3の回転時間的ビーム積分器112なしの、レーザー光学システム100の実施態様を例示する。
【0033】
回析光学的装置は単純かつ安価であり、そしてモータのような機器による回転を必要としない。回析要素12および正のレンズ22は、ビーム軸11で容易に整列され得る。単純な回析光学的装置は、使用および維持が容易である。しかし、例示的実施態様において、回析光学的装置は、回転され、空間的および時間的ビーム積分器の両方を提供し得る。回析光学的装置は、異なるエキシマレーザーシステムに対して適合され得る。
【0034】
眼科レーザー手術光学システム100は、角膜切除手順において紫外線レーザービームを使用し得、光分解において角膜組織を切除し、これは隣接および内在の組織を熱損傷することがない。照射される表面での分子は、残存する基質を加熱することなく、より小さな揮発性のフラグメントへと分解され得る;切除の機構は、光化学(すなわち、分子内結合の直接破壊)である。切除は、間質層を除去し、種々の目的(例えば、近視、遠視、および乱視の矯正)に対してそのプロファイルを変化させる。このようなシステムおよび方法は、以下の米国特許および特許公開において開示され、その開示内容はすべての目的でその全体として本明細書中で参照することによって援用される:米国特許第4,665,913号(「METHOD FOR OPHTHALMOLOGICAL SURGERY」で1987年5月19日発行);米国特許第4,669,466号(「METHOD AND APPARATUS FOR ANALYSIS AND CORRECTION OF ABNORMAL REFRACTIVE ERRORS OF THE EYE」で1987年6月2日発行);米国特許第4,732,148号(「METHOD FOR PERFORMING OPHTHALMIC LASER SURGERY」で1988年3月22日発行);米国特許第4,770,172号(「METHOD OF LASER−SCULPTURE OF THE OPTICALLY USED PORTION OF THE CORNEA」で1988年9月13日発行);米国特許第4,773,414号(「METHOD OF LASER−SCULPTURE OF THE OPTICALLY USED PORTION OF THE CORNEA」で1988年9月27日発行);米国特許出願番号第109,812号(「LASER SURGERY METHOD AND APPARATUS」で1987年10月16日出願);米国特許第5,163,934号(「PHOTOREFRACTIVE KERATECTOMY」で1992年11月17日発行);米国特許第5,556,395号(「METHOD AND SYSTEM FOR LASER TREATMENT OF REFRACTIVE ERROR USING AN OFFSET IMAGE OF A ROTATABLE MASK」で1996年9月17日発行);米国特許出願番号第08/368,799号(「METHOD AND APPARATUS FOR TEMPORAL AND SPATIAL BEAM INTEGRATION」で1995年1月4日出願);米国特許出願番号第08/138,552号(「METHOD AND APPARATUS FOR COMBINED CYLINDRICAL AND SPHERICAL EYE CORRECTIONS」で1993年10月15日出願);および米国特許出願番号第08/058,599号(「METHOD AND SYSTEM FOR LASER TREATMENT OF REFRACTIVE ERRORS USING OFFSET IMAGING」で1993年5月7日出願)。
【0035】
図5のブロックダイアグラムは、第1のバス接続208によってレーザー手術システム200のシングルボードコンピュータ204に連結されるパーソナルコンピュータ(PC)ワークステーション202を包含する本発明を組み込むための、眼科手術システム200を例示する。PCワークステーション202およびレーザー手術ユニット200のサブコンポーネントは、公知の構成要素であり、そしてVISX TWENTY/TWENTY EXCIMER LASER SYSTEMまたはVISX STARエキシマレーザーシステムの要素を含み得、これらは、Santa Clara,CaliforniaのVisx,Incorporatedから入手可能である。レーザー手術システム200は、一般に参照番号210で設計される複数のセンサを備え、このセンサは、図3または図4の眼科レーザー手術光学システム100における移動可能機構および光学構成要素からのフィードバックシグナルを生成する。この移動可能機構および光学構成要素は、例えば、虹彩モータ216、イメージローテータ218、および乱視幅モータ220、ならびに乱視角モータ222によって駆動される要素を含む。走査処置(ここで、個々のレーザーパルスからの切除が処置中央から可変的にオフセットされる)のために、走査モータ1(212)および走査モータ2(214)が提供される。移動レンズ122のビーム120への横断(transverse)は、このような可変的オフセットを提供する。センサ210からのフィードバックシグナルは、適切なシグナルコンダクタを介してシングルボードコンピュータ204に提供され、このシングルボードコンピュータ204は、望ましくは、8031タイプのマイクロプロセッサを用いるSTDバス適合可能なシングルボードコンピュータである。シングルボードコンピュータ204は、要素216、218、220および222を操作するための参照番号226で一般に設計されるモータ駆動の操作を制御する。さらに、シングルボードコンピュータ204は、エキシマレーザー104の操作を制御し、このエキシマレーザー104は、望ましくは、図3または図4の伝送システムオプティクス100を介して患者の眼230の角膜で160ミリジュール/cm2のフィードバック安定化流量(fluence)を提供するように設計される、193ナノメータ波長の出力を備えるArFレーザーである。レーザー手術システム200の他の付属構成要素(これは、本発明を理解するのに必要ではない)(例えば、高解像度顕微鏡、顕微鏡用のビデオモニタ、患者の眼を保持するシステム、および切除廃液吸引器/フィルタ、ならびにガス伝送システム)は、冗長を避けるために省略されている。同様に、キーボード、ディスプレイ、および従来のPCサブシステム構成要素(例えば、可撓性で硬いディスクドライブ、メモリボードなど)は、PCワークステーション202の描写から省略されている。
【0036】
レーザー手術システム200は、光学的角膜屈折矯正手術(PRK)およびビーム療法角膜切除術(PTK)のような手順のために使用され得る。PCワークステーション202を用いて、操作者は、少なくとも1つの患者の処置パラメータ(例えば、患者の屈折の所望の変化)を入力する。上記の処置パラメータは、改良された変化の角膜形状に対応する。次いで、PCワークステーション202は、レーザー処置の間のレーザー要素の位置付けを含む処置テーブル260を計算し得る。典型的に処置の間、変えられる、レーザー要素は、可変開口116およびレンズ112の位置を含む。PRKにおいて、例えば、レーザー手術システム200は、上皮の除去後、角膜の組織を切除するために使用される。近視の矯正のために、環状レーザービーム30は、調整可能開口116を用いて角膜の処置領域で記録(register)される環状スポットに調節される。この環状スポットは、典型的に、0.5〜6mmの環である。近視の矯正によって、角膜の半径の湾曲を減少させる。これは、末梢処置領域へ向かう角膜の中央のより多い組織(more tissue)およびより少ない組織(less tissue)の除去を必要とする。開口を通過したビーム120の第1パルスは、全体的処置領域から組織を切除して取り除き得るが、連続パルスは、可変開口116によって直径を減少され、これによって、パルスは連続的により小さくなる。別の実施態様において、連続パルスは、処置領域を覆う直径を小さなものから大きなものへと、徐々に増大され得る。これは、中央領域からより組織を除去し、そして角膜を減少された湾曲を有する所望のプロファイルにする。光学的角膜屈折矯正手術手順後、上皮は、成形領域からすばやく再成長し、角膜の新規の前部表面を生成する。あるいは、上皮は除去されないが、部分的に切断され、そして手術のために側に移動され、そしてPRK後にその元の位置に戻される。
【0037】
図6に示される代替の実施態様において、角膜の処置領域300は、オフセットイメージ開口ビーム(offset imaged apertured beam)126のような、個々のレーザーパルスで切除される複数のより小さな領域を含む。より小さな切除領域の位置およびサイズは、処置テーブル260で計算される値に対応する。湾曲の減少は、角膜について走査ビーム126によって達成される。図6に示されるように、レンズ122のオフセット位置312は、中央位置310について変えられる。この走査は、外部位置308でオフセットイメージ開口ビーム126を生成する。望ましくは、ビーム126は、走査処置の位置付けの間、処置領域300の中央302を覆う。必要に応じて、可変開口116の寸法は、走査の間、変えられ、ビーム126のサイズを変化させ得る。好ましい実施態様において、回析オプティクス12は、パルスの間で回転するように移動される。例示的実施態様において、ビームローテータ112および回析オプティクス12は、パルスの間で回転される。走査ビームの連続パルスは、処置テーブル260に従って所望の減少される湾曲に輪郭付けされる。
【0038】
遠視の矯正のために、図3または図4の開口ビーム120は、角膜の処置領域を走査する。図6に示されるように、角膜の処置領域300は、オフセットイメージ開口ビーム126のような、個々のレーザーパルスで切除される複数のより小さな領域を含む。より小さな切除領域の位置およびサイズは、処置テーブル260で計算される値に対応する。より多い組織は、中央からよりも複数の処置領域から除去されるべきである。これは、角膜のプロファイルの半径を増大させる。プロファイルの増大は、角膜についてビーム126を走査することによって達成される。図6に示されるように、レンズ122のオフセット位置312は、中央位置310について変えられる。この走査によって、外部位置308でオフセットイメージ開口ビーム126が生成される。望ましくは、ビーム126は、一部の走査処置の間、処置領域300の中央302を覆わない。必要に応じて、可変開口116の寸法は、走査の間、変えられ、ビーム126のサイズを変え得る。好ましい実施態様において、回析オプティクス12は、パルスの間で回転するように移動される。例示的実施態様において、ビームローテータ112および回析オプティクス12は、パルスの間で回転される。走査ビームの連続パルスは、角膜を、処置テーブル260に従って所望の増大される湾曲に輪郭付ける。
【0039】
角膜の乱視特性の矯正のために、可変幅スリット(示されず)は、一般に長方形である角膜の処置領域を反対に測る。イメージ開口ビーム126の第1パルスは、角膜組織の一般に長方形の領域を切除し、取り除く。連続パルスは、光学中心に対して対称的に位置されるイメージ開口ビーム126の一般に長方形のスポットの幅を変えることによって方向付けられる。乱視矯正変化は、角膜組織の容積的除去によって行われる。
【0040】
上記のことは、本発明の好ましい実施態様の全体および完全な開示を提供するが、種々の改変、代替の構成、および等価物は、所望である場合に使用され得る。例えば、可変開口116を通過するビームは、好ましい実施態様においてイメージングレンズ122の横断運動によってオフセットされるが、回転ミラーおよびプリズムのような他の走査要素は、所望ならば使用され得る。さらに、レーザー104以外の適切な波長のレーザーは、所望でありそして効果的である場合、使用され得る。また、電磁スペクトルの赤外部にある波長を有するレーザーのような熱切除の原理で操作するレーザービームシステムは、本発明を実行するために使用され得る。従って、上記記載および例示は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の限定としてみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の実施態様に従う回折光学的装置を概略的に示す斜視図である。
【図2】 図2は、図1の回折光学的装置を概略的に示す正面立面図である。
【図3】 図3は、図1の回折光学的装置を組み込むレーザービーム光学伝送系の実施態様を概略的に示す斜視図である。
【図4】 図4は、図1の回折光学的装置を組み込むレーザービーム光学伝送系の別の実施態様を概略的に示す斜視図である。
【図5】 図5は、本発明を組み込むための眼科手術システムのブロック図である。
【図6】 図6は、本発明の走査中の実施態様を示す平面図である。
【図7】 図7は、回折光学的装置によって発生したラウンド−トップ空間的強度分布を有するビームプロファイルの別の実施態様を示す斜視図である。
【図8】 図8は、回折要素の1つの表面上で研削したレンズを有する実施態様の平面図である。
[0001]
(Field of Invention)
The present invention relates generally to a light beam system for modifying the spatial intensity distribution of a beam, and more particularly to altering the spatial and / or temporal intensity distribution of an excimer laser beam, thereby reducing tissue ablation. And a light beam system for generating a substantially uniform intensity beam.
[0002]
(Background of the Invention)
Excimer lasers have been used in a variety of applications including tissue ablation such as corneal ablation and other surgical procedures. The cross section of the intensity profile of a typical excimer laser beam is typically not spatially uniform. In general, the beam has a substantially rectangular cross section. The intensity along the long axis of the rectangular beam is substantially constant over the central portion of the beam. The intensity along the minor axis of the beam is substantially Gaussian. Thus, the divergence of the excimer laser beam is different along the two axes. As a result, the beam changes shape when emitted and travels away from the excimer laser.
[0003]
Generating a laser beam of substantially uniform intensity is important in many surgical procedures such as tissue ablation, especially in refractive index correction or corneal ablation for therapeutic purposes. Furthermore, the laser beam should maintain the shape required by the ablation algorithm during the ablation procedure.
[0004]
Various methods have been used to modify the spatial illumination or intensity distribution of the laser beam. In order to produce a more uniform intensity beam across the beam cross-section at the ablation plane, researchers have used laser firing capacity and resonators to increase beam uniformity and reduce beam divergence. Changed optics. The mask aperture selects a substantially uniform portion of the beam by truncating the remaining portion of the beam. The aperture is imaged on a resection surface such as the corneal surface. Alternatively, if the beam divergence is sufficiently weak, the beam selected by the aperture can be projected directly onto the corneal surface.
[0005]
Another way to improve beam intensity uses a complex optical system (eg, a set of mirrors, prisms, or lenses) to resolve the beam into a series of beamlets. The beamlets are superimposed in a manner that produces a uniform intensity through the opening of the mask. The opening is imaged on the corneal surface.
[0006]
Yet another method uses a rotatable mask formed with one or more apertures having a geometric helical shape, thereby changing the spatial intensity distribution of the beam. It is disclosed in US Pat. No. 5,651,784, issued to Klopotek, entitled “ROTATABLE APERTURE APPARATUS AND METHOD FOR SELECTION PHOTOABLATION OF SURFACE”. Temporal beam integrators such as rotating dove prisms or k-mirrors are used to modify the laser beam and improve the average non-uniformity of several laser pulses over a time interval.
[0007]
Glockler, US Pat. No. 5,646,791, entitled “METHOD AND APPARATUS FOR TEMPORAL AND SPATIAL BEAM INTEGRATION”, incorporated herein by reference in its entirety, uses a spatial beam integrator to The spatial uniformity of the intensity profile is improved and a separate rotating temporal beam integrator is used to maintain the uniformity of the laser beam intensity over the laser pulse time interval. The spatial beam integrator includes a plurality of prisms distributed around the hollow center. The exit surface of each prism is precisely angled with respect to the body axis of the spatial beam integrator, thereby reflecting the beam toward the center. The spatial beam integrator can be in a steady state to produce a stationary beam with respect to the spatial beam integrator, or can be rotated to produce a rotating beam. The temporal beam integrator includes a pair of rotating cylindrical lenses spaced along the beam axis by a distance approximately equal to the sum of the focal lengths of both lenses.
[0008]
Feldman, US Pat. No. 5,610,733, entitled “BEAM-HOMOGENIZER”, and Case, US Pat. No. 4,547,037, entitled “HOLOGRAPIC METHOD FOR PRODUCING WAVEFRONT TRANSFORMATION”, US Pat. No. 4,547,037. Diffractive optics are used to change the energy distribution of the laser beam. The diffractive optical element is disposed in the laser beam path on the first plane. By properly configuring the plurality of lattice patterns in the first plane, the desired output energy is generated in the second plane.
[0009]
(Summary of the Invention)
Conventional methods of ablating tissue use a complex and expensive device to improve the uniformity of the laser beam. There is a need for a simple and inexpensive device that can convert a non-uniform intensity beam emitted from a pulsed laser into a substantially uniform intensity laser beam over most of the cross-section of the beam. Furthermore, embodiments of the present invention provide temporal integration of the laser beam by providing a means for moving the beam converter between laser pulses.
[0010]
In accordance with one aspect of the present invention, an excimer laser system for tissue ablation comprises an argon fluoride excimer laser and generates a non-uniform beam of pulsed laser energy along an optical path. The non-uniform beam has a non-uniform spatial intensity distribution. The diffractive optical diffuser is spaced from the laser and includes a transparent etched pattern disposed along the beam path, thereby producing a non-uniform beam with a substantially uniform spatial intensity. Convert to a spatially integrated beam with distribution. A positive lens is placed around the diffractive optical diffuser to focus the spatial integration beam to the desired spatial intensity distribution in the spatial integration plane.
[0011]
The present invention uses a diffraction grating technique to change the spatial intensity distribution of the excimer laser beam. Conventional diffraction gratings include apertures or barriers and include a repeating array of diffractive elements. The diffractive element has the effect of generating periodic alternating changes in both phase, amplitude, or sudden waves such as laser beams. One simple arrangement is a barrier with a series of slits that are uniformly spaced from each other. A more common diffraction grating device is a transparent glass plate, where orderly or random parallel cuts are scratched or drawn on the surface of a flat glass plate. The cuts each act as a scattering light source and combine to form a regular array of parallel line light sources. If the grating is totally transparent for negligible amplitude modulation, regular changes in optical thickness across the grating will result in phase modulation. In this case, the diffraction grating device acts as a transmission phase grating. In the present invention, a diffraction grating pattern etched into a transparent medium converts an excimer laser beam into an output beam having a substantially uniform spatial intensity distribution.
[0012]
Another aspect of the present invention is an apparatus for spatially integrating a non-uniform argon fluoride excimer laser beam projected and pulsed along the beam axis and optically for tissue ablation. Excision can be performed. The apparatus comprises means located in the optical path of the non-uniform excimer beam aligned with the beam axis and diffracts the non-uniform excimer beam to generate a spatially integrated beam. The spatially integrated beam has a substantially uniform intensity distribution across the beam cross-section. The converging lens is located in the optical path of the laser beam exiting from the diverging means located around the diverging means and aligned with respect to the beam axis. The converging lens focuses the spatially integrated beam to the desired size and spatial intensity distribution in the spatial integration plane.
[0013]
Another aspect of the present invention is a method of spatially integrating a non-uniform spatial intensity distribution of a non-uniform argon fluoride excimer laser beam that can be optically ablated to ablate tissue. The method includes diffractively diverging a non-uniform beam to obtain a divergent beam having a substantially uniform spatial intensity distribution. The dispersed beam converges on the spatial integration plane. The focused beam is imaged from the spatial integration plane to a plane around the tissue.
[0014]
A further aspect of the invention is a method of spatially integrating a non-uniform spatial intensity distribution of a non-uniform argon fluoride excimer laser beam that can be optically ablated to ablate tissue. The method includes the step of diffractively diverging a non-uniform beam, thereby obtaining a divergent beam having a substantially uniform spatial intensity distribution. The diverged beam is focused on the spatial integration plane. A variable aperture disposed around the spatial integration plane selectively allows the beam to pass. The passed beam is imaged from the spatial integration plane to a plane around the tissue.
[0015]
A further aspect of the present invention is a method for spatially and temporally integrating a non-uniform spatial intensity distribution of a non-uniform argon fluoride excimer laser beam capable of performing optical ablation to ablate tissue. It is. The method includes the step of diffractively diverging a non-uniform beam, thereby obtaining a divergent beam having a substantially uniform spatial intensity distribution. The diverged beam is focused on the spatial integration plane. A variable aperture disposed around the spatial integration plane selectively allows the beam to pass. The passed beam is imaged from the spatial integration plane to the plane around the tissue. Between laser pulses, the moving process moves the diffractive element and provides a temporal integration of subsequent laser pulses.
[0016]
In accordance with another aspect of the invention, a method of surgical tissue ablation using a non-uniform argon fluoride excimer laser beam diffracts the non-uniform beam, thereby substantially increasing the spatial intensity of the top layer. Obtaining a spatially integrated beam having a distribution with a uniform portion. The spatially integrated beam is focused on a spatially integrated plane located in the optical path of the spatially integrated beam. The size and shape of the uniform part of the spatially integrated beam is adjusted by an aperture located around the spatial integration plane. The adjusted uniform portion of the spatially integrated beam is imaged on a plane around the surgical surface.
[0017]
Yet another aspect of the invention is a method of spatially integrating a non-uniform intensity distribution of a non-uniform argon fluoride excimer laser beam that can be optically ablated to ablate tissue. The method includes the step of diffractively diverging a non-uniform beam, thereby obtaining a divergent beam having a spatial intensity distribution with a substantially round top. The diverged beam is focused on the spatial integration plane. The focused beam is imaged from the spatial integration plane to a plane around the tissue.
[0018]
(Description of Preferred Embodiment)
With reference to FIGS. 1 and 2, a substantially rectangular excimer laser beam 10 is projected along the beam axis 11 toward the diffractive element 12. The intensity along the long axis (x-axis) of the beam 10 is substantially uniform. On the other hand, the intensity along the short axis (y-axis) is substantially Gaussian. The diffractive element 12 has a generally planar body 16 that includes a transparent portion 18 that receives and diffractively transforms the laser beam 10. The diffracted beam 20 exiting the diffractive element 12 travels along the beam axis 11 through a positive or converging lens 22 (which converges the diffracted beam 20). The converged beam 30 travels along the optical axis 11 and forms a pattern at the spatial integration surface 32.
[0019]
(Diffraction optical device)
With reference to FIG. 1, the transparent portion 18 has a generally rectangular shape sized to receive the entire rectangular beam 10. However, for non-rectangular beams, it may be desirable for the transparent portion 18 to be circular, square, or other suitable shape that fits the beam 10. The transparent part 18 of the diffractive element 12 has a diffraction pattern etched into a transparent medium. The transparent medium can be a glass-like silica material. The transparent medium is desirably substantially non-absorbing and non-reflecting with respect to the excimer laser beam 10. For example, the transparent medium can include quartz glass, quartz, magnesium fluoride, calcium fluoride, lithium fluoride, or sapphire.
[0020]
The diffraction pattern on the transparent medium forms a diffraction grating, which spatially integrates the non-uniform excimer laser beam 10 with a spatial intensity distribution (which is substantially uniform across the beam cross-section). The excimer beam 20 is configured to be converted. The cross-sectional shape of the converged beam 30 can be circular or rectangular. For ophthalmic surgery (eg, keratotomy), the spatial intensity distribution advantageously has a top-hat shape with a circular central region, which is substantially uniform and converged. Cover most of the cross-section of the beam 30 (see the spatial intensity distribution shown in the spatial integration plane 32 of FIG. 1). Other spatial intensity distributions are possible using different diffraction gratings.
[0021]
The configuration of the diffraction pattern is highly dependent on the desired focused beam 30 shape and spatial intensity distribution. It also depends on the characteristics of the incident beam 10 (for example its wavelength and spatial intensity distribution). The diffraction pattern may include a plurality of suitably spaced regions (eg, lines, spots, etc.). For excimer lasers having short wavelengths near about 193 nanometers (nm), the spacing of the etched regions in the diffraction pattern is advantageously small and accurate. Known etching techniques (eg, dry etching) can be used to etch the diffraction pattern on the transparent portion 18.
[0022]
As shown in FIGS. 1 and 2, the converging lens 22 converges or condenses the beam 20 diffracted as the converged beam 30 onto the spatial integration surface 32. The cross section of the converged beam 30 at the spatial integration surface 32 is substantially circular and has a spatial intensity distribution with a top hat profile. The central region 36 with a uniform intensity distribution desirably covers at least about 70% of the cross section of the beam 30, and more desirably covers approximately 85%. The size of the cross section of the beam 30 at the spatial integration surface 32 is advantageously sized to correspond to the maximum area removed with a single laser pulse. For example, the dimensions across the cross section of the beam 30 at the spatial integration surface 32 can typically range from 3 to 12 mm. 1 and 2 show a flat convex lens, other types of converging lenses 22 may be selected based on the focal length that minimizes aberrations. An anti-reflective coating can be applied to prevent or minimize reflection of the beam 20 from the converging lens 22.
[0023]
In operation, the laser beam 10 is directed along the beam axis 11 through the transparent portion 18 of the diffractive element 12 (which is aligned with the laser beam 10) to receive the entire laser beam 10. The etched diffraction pattern of the transparent portion 18 serves as a diffraction control angle diffuser for changing the spatial intensity distribution of the laser beam 10. The transparent portion 18 converts the generally rectangular Gaussian beam 10 into a generally circular beam 20 having a substantially uniform intensity distribution. A converging lens 22 is aligned with the beam axis 11 and converges the spatially integrated beam 20 to a desired size. The cross section of the converged beam 30 at the spatial integration surface 32 is substantially circular and is uniform in terms of spatial intensity, which is desirable for surgical procedures (eg, corneal ablation).
[0024]
The diffractive element 12 and the converging lens 22 spatially integrate the rectangular beam 10 to form a beam 30 having a substantially uniform intensity profile at the spatial integration plane. The cross section of the beam 30 may be circular or rectangular, or other shapes. With respect to corneal ablation, the beam 30 desirably has a uniform intensity central region 36 that covers at least about 85% of the cross-sectional area of the beam 30. The uniform intensity central region 36 includes a significant portion of the total energy of the rectangular beam 10. This is because there is no significant energy loss through the diffractive optical device. This gives the device high efficiency.
[0025]
The embodiments were tested experimentally with good results using a 193 nm excimer laser. A binary diffractive optics 12 located approximately 15 mm from the 250 mm focal length converging lens 22 produces a uniform circular beam of approximately 12 mm at the spatial integration surface 32. The binary optics used were designed by Digital Optics Corporation of Charlotte (North Carolina). Other companies in the diffractive optics design industry can produce similar gratings. The size of the beam spatially integrated on the spatial integration plane can be changed by changing the focal length of the lens 22.
[0026]
Alternative embodiments of diffractive element 12 that do not require the use of lens 22 may be used. For example, the diffractive lens can be superimposed on the diffraction grating of the diffractive element 12. Such a diffractive element produces a spatially integrated transformed beam at the spatial integration surface 32. Alternatively, the converging lens 22 can be ground on one surface of the diffractive element 12, as shown in FIG. In the illustrated embodiment, the diffractive element 12 can be rotated between pulses to provide temporal integration of the beam.
[0027]
(Application in ophthalmic laser surgery)
FIG. 3 illustrates the application of the present invention to an ophthalmic laser surgical optical system 100 and the relative orientation of components in the system 100. The specific components and configurations described below are for illustrative purposes only. As noted above, diffractive optics devices can be used with a variety of different excimer laser systems.
[0028]
As seen in FIG. 3, the beam 102 is generated from a suitable laser source 104 (eg, an argon fluoride (ArF) excimer laser beam source for generating a laser beam in the far ultraviolet region having a wavelength of about 193 nm). . This wavelength is typically in the range of about 192.5 to about 194 nm. Laser beam 102 is directed to beam splitter 106. A portion of the beam 102 is reflected onto the energy detector 108. Meanwhile, the remaining portion travels through beam splitter 106 and is reflected by mirror 110 onto a rotating temporal beam integrator 112. Another type of temporal beam integrator can be used. The rotated beam exiting the temporal integrator 112 is directed to a diffractive optics device. In the preferred embodiment, the diffractive element 12 is rotated with the beam 102. In the illustrated embodiment, the diffractive element 12 is rotated at substantially the same speed as the beam 102. The beam passes through the diffractive element 12 and the converging lens 22 and exits as a converged beam 30. The converged beam 30 travels to a spatial integration plane 32 where various apertures 116 are arranged. The spatial integration surface 32 is disposed near the focal point of the positive lens 22. An aperture beam 120 emerges from the various apertures 116. The various apertures 116 are preferably irises of various diameters, which are combined with slits (not shown) of various widths, which slits are adapted to specific ophthalmic surgical procedures (eg, optical corneal refractive surgery ( PRK) and optical cornea treatment surgery (PTK)) are used to match the size and profile of the beam 30.
[0029]
The aperture beam 120 is directed onto the imaging lens 122, which can be a biconvex single lens having a focal length of about 125 mm. The imaged beam 126 exiting the imaging lens 122 is reflected by the mirror / beam splitter 130 onto the surgical surface 132. The apex of the patient's cornea is typically positioned on the surgical surface 132. The imaging lens 122 can be moved laterally to a beam that offsets the imaged beam to scan the imaged beam around the surgical surface 132. The treatment energy detector 136 senses the transmitted portion of the beam energy at the mirror / beam splitter 130. The beam splitter 138 and the microscope objective 140 form part of the observation optics. If desired, a beam splitter can be incorporated into the optical path of the beam 134 exiting the microscope objective. The beam splitter is connected to the video camera as needed to assist in observation or recording of the surgical procedure. Similarly, heads-up displays can also be incorporated into the optical path of the microscope objective 140 to provide additional viewing performance. Other ancillary components of the laser optical system 100 (this is not necessary for an understanding of the present invention, eg, a movable mechanical component driven by an astigmatism motor and an astigmatism angle motor. Are omitted for brevity.
[0030]
The diffractive optical device comprising the diffractive element 12 and the positive lens 22 can be used for a variety of laser systems, including scanning laser ablation systems and wide area laser ablation systems. An example is "VISX STAR Excimer Laser System", which is commercially available from VISX, Incorporated of Santa Clara (California). This system produces an output of 193.0 nm, operates at a frequency of 6.0 Hz, and 160.0 millijoules / cm in a 6.0 mm diameter ablation region. 2 Adjusted to transmit a uniform flow rate. Other laser systems include T-PRK R Scanning and tracking lasers (manufactured by Autonomous Technologies Corporation), SVS Apex lasers (manufactured by Summit Technologies Inc.), Kercor "117 scanning laser systems (manufactured by Chiron Vision), and the like.
[0031]
In an alternative embodiment, the focused beam 30 may generate a central region having a rounded spatial intensity distribution 37 with a spatial integration surface 32, as shown in FIG. This rounded tip distribution 37 can be created by changing the separation between the converging lens 22, the diffractive element 12, and the spatial integration surface 32. Alternatively, a different diffraction pattern at the diffraction element 12 can be used.
[0032]
Spatial integrating beam 30 may desirably be uniform over approximately 85% of the cross-sectional area of beam 30, exceptionally during the laser pulse time interval of beam 30. For such a spatially integrated beam 30, the temporal beam integrator 112 can be eliminated without adverse effects on the characteristics of the beam 30 and the operation of the laser system 100. In that case, the diffractive optical device comprising the diffractive element 12 and the positive lens 22 serves as a spatial beam integrator and does not require a temporal beam integrator. FIG. 4 illustrates an embodiment of the laser optical system 100 without the rotational temporal beam integrator 112 of FIG.
[0033]
The diffractive optical device is simple and inexpensive and does not require rotation by an instrument such as a motor. The diffractive element 12 and the positive lens 22 can be easily aligned with the beam axis 11. A simple diffractive optical device is easy to use and maintain. However, in an exemplary embodiment, the diffractive optical device can be rotated to provide both spatial and temporal beam integrators. The diffractive optical device can be adapted for different excimer laser systems.
[0034]
The ophthalmic laser surgical optical system 100 may use an ultraviolet laser beam in a corneal ablation procedure to ablate corneal tissue in photolysis, which does not thermally damage adjacent and underlying tissue. Molecules at the irradiated surface can be broken down into smaller volatile fragments without heating the remaining substrate; the mechanism of excision is photochemistry (ie, the direct breakdown of intramolecular bonds). Ablation removes the interstitial layer and changes its profile for various purposes (eg, correction of myopia, hyperopia, and astigmatism). Such systems and methods are disclosed in the following US patents and patent publications, the disclosures of which are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes: US Pat. No. 4,665,665. No. 913 (issued 19 May 1987 in “METHOD FOR OPHTHALMOLOGICAL SURGERY”); US Pat. No. 4,669,466 (“METHOD AND APPARATUS FOR ANALYSIS AND COLLECTION OF ABNORMAL FREARCHY 1987”) Issued on March 2, 1988; issued in US Pat. No. 4,732,148 (“METHOD FOR PERFORMING OPHTHALMIC LASER SURGERY”) U.S. Patent No. 4,770,172 ("METHOD OF LASER-SCULPTURE OF THE OPTICALLY USED PORTION OF THE CORNEA" issued September 13, 1988); U.S. Patent No. 4,773,414 ("METHOD OF" LASER-SCULPTURE OF THE OPTICALLY USED PORTION OF THE CORNEA "issued on September 27, 1988); US Patent Application No. 109,812 (filed" LASER SURGERY METHOD AND APPARATUS "on October 16, 1987); Patent No. 5,163,934 (issued November 17, 1992 in “PHOTOREFACTIVE KERATECTOMY”); US Pat. No. 5,556,3 No. 5 ("METHOD AND SYSTEM FOR LASER TREATMENT OF REFRACTIVE ERROR USING AN OFFSET IMAGE OF A ROTABLE MASK" issued on September 17, 1996; US Patent Application No. 08/368, THOR US AND SPATIAL BEAM INTEGRATION "filed January 4, 1995); US Patent Application No. 08 / 138,552 (" METHOD AND APPARATUS FOR COMBINED CYLINDRICAL AND SPHERICAL EY CORTECTIONS "dated 1993; US patent application Ser. No. 08 / 058,599 ( "METHOD AND SYSTEM FOR LASER TREATMENT OF REFRACTIVE ERRORS USING OFFSET IMAGING" in the May 7, 1993 application).
[0035]
The block diagram of FIG. 5 illustrates an ophthalmic surgical system 200 for incorporating the present invention that includes a personal computer (PC) workstation 202 coupled to a single board computer 204 of the laser surgical system 200 by a first bus connection 208. Illustrate. The sub-components of the PC workstation 202 and the laser surgical unit 200 are known components and may include elements of the VISX TWENTY / TWENTY EXCIMER LASER SYSTEM or VISX STAR excimer laser systems, which are Visx of Santa Clara, Calif. , Available from Incorporated. The laser surgical system 200 comprises a plurality of sensors, generally designated by reference numeral 210, which generate feedback signals from movable mechanisms and optical components in the ophthalmic laser surgical optical system 100 of FIG. 3 or FIG. To do. This movable mechanism and optical components include, for example, elements driven by an iris motor 216, an image rotator 218, and an astigmatism width motor 220, and an astigmatism angle motor 222. Scan motor 1 (212) and scan motor 2 (214) are provided for the scanning procedure, where ablation from individual laser pulses is variably offset from the center of the procedure. Transversing the moving lens 122 to the beam 120 provides such a variable offset. The feedback signal from sensor 210 is provided to a single board computer 204 via a suitable signal conductor, which is preferably an STD bus compatible single board computer using an 8031 type microprocessor. . The single board computer 204 controls the operation of the motor drive generally designed with reference number 226 for operating the elements 216, 218, 220 and 222. In addition, the single board computer 204 controls the operation of the excimer laser 104, which is preferably 160 millijoules / cm at the cornea of the patient's eye 230 via the transmission system optics 100 of FIG. 3 or FIG. cm 2 An ArF laser with an output of 193 nanometer wavelength, designed to provide a feedback stabilized flow of. Other ancillary components of the laser surgical system 200 (which are not necessary to understand the present invention) (eg, high resolution microscope, video monitor for microscope, system for holding the patient's eye, and ablation waste aspiration) The vessel / filter, as well as the gas transmission system) are omitted to avoid redundancy. Similarly, keyboards, displays, and conventional PC subsystem components (eg, flexible and hard disk drives, memory boards, etc.) have been omitted from the depiction of PC workstation 202.
[0036]
The laser surgical system 200 can be used for procedures such as optical corneal refractive surgery (PRK) and beam therapy keratotomy (PTK). Using the PC workstation 202, the operator inputs at least one patient treatment parameter (eg, a desired change in patient refraction). The treatment parameters described above correspond to improved corneal shape changes. The PC workstation 202 may then calculate a treatment table 260 that includes the positioning of the laser elements during the laser treatment. The laser element, which is typically changed during the procedure, includes the position of variable aperture 116 and lens 112. In PRK, for example, the laser surgical system 200 is used to excise corneal tissue after removal of the epithelium. For correction of myopia, the annular laser beam 30 is adjusted to an annular spot that is registered in the treatment area of the cornea using an adjustable aperture 116. This annular spot is typically a 0.5-6 mm ring. Correction of myopia reduces the curvature of the corneal radius. This requires the removal of more tissue and less tissue in the center of the cornea towards the peripheral treatment area. The first pulse of beam 120 that has passed through the aperture can be removed by removing tissue from the overall treatment area, but the continuous pulse is reduced in diameter by variable aperture 116, thereby making the pulse continuously smaller. In another embodiment, the continuous pulse can be gradually increased from small to large diameter covering the treatment area. This removes more tissue from the central region and makes the cornea a desired profile with reduced curvature. After the optical corneal refractive surgery procedure, the epithelium quickly regrows from the molded area, creating a new anterior surface of the cornea. Alternatively, the epithelium is not removed, but it is partially cut and moved to the side for surgery and returned to its original position after PRK.
[0037]
In an alternative embodiment shown in FIG. 6, the corneal treatment region 300 includes a plurality of smaller regions that are ablated with individual laser pulses, such as an offset image apertured beam 126. The position and size of the smaller ablation area corresponds to the value calculated in the treatment table 260. The reduction in curvature is achieved by the scanning beam 126 for the cornea. As shown in FIG. 6, the offset position 312 of the lens 122 is changed with respect to the central position 310. This scan produces an offset image aperture beam 126 at the external location 308. Desirably, the beam 126 covers the center 302 of the treatment area 300 during the positioning of the scanning treatment. If desired, the dimensions of the variable aperture 116 can be changed during the scan to change the size of the beam 126. In a preferred embodiment, the diffraction optics 12 is moved to rotate between pulses. In the exemplary embodiment, beam rotator 112 and diffraction optics 12 are rotated between pulses. The continuous pulses of the scanning beam are contoured to the desired reduced curvature according to the treatment table 260.
[0038]
For hyperopia correction, the aperture beam 120 of FIG. 3 or 4 scans the treatment area of the cornea. As shown in FIG. 6, the corneal treatment region 300 includes a plurality of smaller regions that are ablated with individual laser pulses, such as an offset image aperture beam 126. The position and size of the smaller ablation area corresponds to the value calculated in the treatment table 260. More tissue should be removed from multiple treatment areas than from the center. This increases the radius of the corneal profile. The profile increase is achieved by scanning the beam 126 for the cornea. As shown in FIG. 6, the offset position 312 of the lens 122 is changed with respect to the central position 310. This scan produces an offset image aperture beam 126 at the external location 308. Desirably, the beam 126 does not cover the center 302 of the treatment area 300 during some scanning procedures. If desired, the dimensions of the variable aperture 116 can be changed during the scan to change the size of the beam 126. In a preferred embodiment, the diffraction optics 12 is moved to rotate between pulses. In the exemplary embodiment, beam rotator 112 and diffraction optics 12 are rotated between pulses. Successive pulses of the scanning beam contour the cornea to the desired increased curvature according to the treatment table 260.
[0039]
For correction of the corneal astigmatism characteristics, variable width slits (not shown) counter measure the treatment area of the cornea, which is generally rectangular. The first pulse of the image aperture beam 126 excises and removes a generally rectangular region of corneal tissue. The continuous pulse is directed by changing the width of the generally rectangular spot of the image aperture beam 126 positioned symmetrically with respect to the optical center. Astigmatism correction changes are made by volumetric removal of corneal tissue.
[0040]
While the above provides a complete and complete disclosure of the preferred embodiments of the present invention, various modifications, alternative constructions, and equivalents can be used where desired. For example, the beam passing through the variable aperture 116 is offset by the transverse movement of the imaging lens 122 in the preferred embodiment, although other scanning elements such as rotating mirrors and prisms can be used if desired. In addition, lasers of appropriate wavelengths other than laser 104 can be used if desired and effective. A laser beam system operating on the principle of thermal ablation, such as a laser having a wavelength in the infrared part of the electromagnetic spectrum, can also be used to implement the present invention. Therefore, the above description and illustrations should not be taken as a limitation of the present invention which is defined by the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a diffractive optical apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front elevation view schematically illustrating the diffractive optical apparatus of FIG.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing an embodiment of a laser beam optical transmission system incorporating the diffractive optical apparatus of FIG. 1;
4 is a perspective view schematically illustrating another embodiment of a laser beam optical transmission system incorporating the diffractive optical device of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a block diagram of an ophthalmic surgical system for incorporating the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing an embodiment of the present invention during scanning.
FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment of a beam profile having a round-top spatial intensity distribution generated by a diffractive optical device.
FIG. 8 is a plan view of an embodiment having a lens ground on one surface of a diffractive element.

Claims (17)

経路に沿ってパルスレーザーエネルギーの不均一なビーム(102)を発生させるためのエキシマレーザー(104)であって、該不均一なビームが不均一な空間的強度分布およびほぼ矩形の断面を有する、エキシマレーザー(104)と、
該不均一なビームの該経路に配置された光学的ディフューザー(12)であって、該不均一なビームを、実質的に均一な空間的強度分布および実質的に円形の断面を有する空間的に積分したビームに変換する、光学的ディフューザー(12)と、
収束レンズ(22)であって、回折性の光学的ディフューザー(12)からの該ビームを空間的積分表面上に収束するように配置された、収束レンズ(22)と
を備える、組織切除のためのエキシマレーザーシステムであって、
該回折性の光学的ディフューザー(12)は、該レーザー(104)から間隔を空けて配置されており、該ビームの該経路にわたって配置された回折パターンを有し、ここで、該回折パターンは、該ほぼ矩形の不均一なビームを実質的に円形の空間的に積分したビームに変換するように配置されていることを特徴とする、エキシマレーザーシステム。
An excimer laser (104) for generating a non-uniform beam (102) of pulsed laser energy along a path, the non-uniform beam having a non-uniform spatial intensity distribution and a substantially rectangular cross-section ; Excimer laser (104),
An optical diffuser (12) disposed in the path of the non-uniform beam, wherein the non-uniform beam is spatially having a substantially uniform spatial intensity distribution and a substantially circular cross-section. An optical diffuser (12) that converts the beam into an integrated beam;
For tissue ablation comprising a converging lens (22) and a converging lens (22) arranged to focus the beam from the diffractive optical diffuser (12) onto a spatial integration surface Excimer laser system
The diffractive optical diffuser (12) is spaced apart from the laser (104) and has a diffraction pattern disposed across the path of the beam, where the diffraction pattern is An excimer laser system arranged to convert the substantially rectangular non-uniform beam into a substantially circular spatially integrated beam .
前記レーザー(104)が約193nmの波長を有するArFレーザーである、請求項1に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system of claim 1, wherein the laser (104) is an ArF laser having a wavelength of about 193 nm. 前記不均一なビーム(102)が、一軸に沿って実質的にガウス分布に従う空間的強度分布を有する、請求項1または2に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system according to claim 1 or 2, wherein the non-uniform beam (102) has a spatial intensity distribution substantially following a Gaussian distribution along one axis. 前記実質的に均一な空間的強度分布が、均一な中心領域を有するシルクハット型のプロファイルを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。The excimer laser system according to any one of claims 1 to 3, wherein the substantially uniform spatial intensity distribution has a top hat type profile having a uniform central region. 前記均一な中心領域が、前記空間的に積分したビームの断面の約70%〜85%を覆う、請求項4に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system of claim 4, wherein the uniform central region covers about 70% to 85% of the spatially integrated beam cross section. 前記ディフューザー(12)が、前記回折パターンを有する透明部分(18)を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system according to any one of claims 1 to 5, wherein the diffuser (12) has a transparent portion (18) having the diffraction pattern. 前記回折パターンが、複数の間隔を空けられたエッチングされた線を含む、請求項6に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system of claim 6, wherein the diffraction pattern comprises a plurality of spaced apart etched lines. 前記透明部分(18)がほぼ矩形である、請求項6または7に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system according to claim 6 or 7, wherein the transparent portion (18) is substantially rectangular. 前記透明部分(18)が、石英、または溶融シリカ、またはフッ化マグネシウム、またはフッ化カルシウム、またはフッ化リチウム、またはサファイアを含む透明な材料を含む、請求項6〜8のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。  9. The transparent part (18) according to any one of claims 6 to 8, comprising a transparent material comprising quartz, or fused silica, or magnesium fluoride, or calcium fluoride, or lithium fluoride, or sapphire. Excimer laser system as described. 前記収束レンズ(22)が、前記回折性の光学的ディフューザー(12)の一表面上で研削される、請求項1〜9のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system according to any one of the preceding claims, wherein the converging lens (22) is ground on one surface of the diffractive optical diffuser (12). 前記空間的積分平面が、前記収束レンズ(22)の焦点の周りに配置されている、請求項1〜10のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system according to any one of the preceding claims, wherein the spatial integration plane is arranged around the focal point of the converging lens (22). 眼の角膜を付けるための請求項1〜11のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステムであって、
前記空間的に積分したビームの領域を通過するために、前記空間的積分平面の周りの前記回折性の光学的ディフューザー(12)から間隔を置かれた開口(116)と、
通過されたビームを第2の平面(132)に向けるための該開口(116)から間隔を置かれた収束レンズ(122)と
を備える、エキシマレーザーシステム。
An excimer laser system according to any one of the preceding claims for shaping the cornea of an eye,
An aperture (116) spaced from the diffractive optical diffuser (12) around the spatial integration plane for passing through the region of the spatially integrated beam;
And a passing beam and the second plane (132) converging lenses spaced from because of the opening (116) directed to (122), an excimer laser system.
前記開口(116)の寸法を調節するための手段(216)を備える、請求項12に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system of claim 12, comprising means (216) for adjusting the size of the opening (116). 前記通過されるビームの像を変位させるための走査手段(212、214)をさらに備える、請求項12または13に記載のエキシマレーザーシステム。Wherein displacing the beam image of being passed further comprising a order of the scanning means (212, 214), an excimer laser system according to claim 12 or 13. 処置テーブル(260)に従って前記像を変位させるように構成された前記走査手段(212、214)用の制御手段(204)をさらに備える、請求項14に記載のエキシマレーザーシステム。Further comprising an excimer laser system of claim 14, the control means (204) for the scanning means arranged to so that by displacing the image (212, 214) according to the treatment table (260). 前記回折性の光学的ディフューザー(12)を移動させるための手段(218)をさらに備える、請求項1〜15のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system according to any one of the preceding claims, further comprising means (218) for moving the diffractive optical diffuser (12). 前記移動させるための手段(218)が、前記回折性の光学的ディフューザー(12)の回転をもたらすように構成されている、請求項16に記載のエキシマレーザーシステム。  The excimer laser system of claim 16, wherein the means for moving (218) is configured to effect rotation of the diffractive optical diffuser (12).
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